一种基于轮轨耦合的过山车轨道振动响应测试方法及应用与流程

本发明涉及过山车安全技术，具体涉及过山车轨道的振动响应分析，尤其是涉及一种基于轮轨耦合的过山车轨道振动响应测试方法及应用。

背景技术：

游乐园里的过山车正在朝着更刺激、更高速的方向发展，这就对过山车的安全性分析提出了更高的要求，然而传统的过山车设计方法“设计-制造-测试-改进-测试”周期长、成本高，安全性问题难以解决，而基于虚拟样机的联合仿真技术能很好地应对这一问题。过山车轨道作为承载部件其安全性十分重要，采用疲劳寿命的分析与预估的方法来确保轨道结构安全意义重大。目前国内外学者对过山车的研究主要集中在动力学仿真、结构有限元等分析方面，目前尚未有专门针对过山车轨道的振动响应的研究，无法满足过山车安全设计的要求。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种针对性强、准确性高的基于轮轨耦合的过山车轨道振动响应测试方法及应用。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于轮轨耦合的过山车轨道振动响应测试方法，包括以下步骤：

1)建立过山车动力学仿真模型；

2)在所述过山车动力学仿真模型中设置用于模拟过山车实际运行状况的约束，所述约束包括用于模拟过山车轮子与轨道间轮轨耦合的点线约束；

3)在所述过山车动力学仿真模型上添加荷载；

4)对所述过山车动力学仿真模型进行求解，获得不同轮组、不同风力和不同承载下的轮轨接触力；

5)建立典型轨道单元段的有限元仿真模型；

6)在所述有限元仿真模型中，基于步骤4)获得的轮轨接触力进行瞬态动力学分析，获得轨道各结构的振动响应。

进一步地，所述过山车动力学仿真模型包括简化车体模型和轨道模型。

进一步地，所述简化车体模型上设置有辅助动力学仿真的定位小球。

进一步地，所述轨道模型基于左右两支轨道中心曲线上点的全局坐标建立。

进一步地，所述约束还包括设置固定副和转动副关系。

进一步地，所述荷载包括重力、摩擦力、风阻和爬升段的牵引力。

进一步地，所述步骤4)中，采用积分求解器对所述过山车动力学仿真模型进行求解。

进一步地，所述瞬态动力学分析具体为：

以轮轨接触力作为受力来源，采用二维数组加载的方式实现过山车移动载荷的加载，进行瞬态动力学分析。

本发明还提供一种过山车设计方法，基于所述的过山车轨道振动响应测试方法的测试结果进行过山车设计。

本发明还提供一种过山车检测维修方法，基于所述的过山车轨道振动响应测试方法的测试结果进行过山车检测维修。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明建立的过山车动力学仿真模型是按照过山车轨道的实际参数和约束条件进行建模，对过山车轨道的振动响应分析具有更强的针对性，结果也能更加精确和可靠。

2、本发明从动力学角度出发，在提供相应的过山车轨道尺寸和运行参数后，即可模拟过山车实际运行过程并计算振动响应，其中间步骤可以进行动力学参数的提取，并可以此评估分析结果的可靠性和准确性。

3、本发明采用简化车体模型，在不影响动力学仿真的前提下对车体进行简化，提高测试效率。

附图说明

图1为本发明的流程示意图；

图2为实施例中局部坐标系的示意图；

图3为实施例中枕轨z向位移分布示意图；

图4为实施例中枕轨y向位移分布示意图；

图5为实施例中立柱z向位移分布示意图；

图6为实施例中立柱y向位移分布示意图；

图7为实施例中轨道管z向位移分布示意图；

图8为实施例中轨道管y向位移分布示意图；

图9为实施例中支撑管z向位移分布示意图；

图10为实施例中支撑管y向位移分布示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

本实施例以四环过山车为对象，提供一种基于轮轨耦合的过山车轨道振动响应测试方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤s1：采用solidworks和adams建立过山车动力学仿真模型，包括简化车体模型和轨道模型。

简化车体模型的建立过程具体为：在不影响动力学仿真的前提下对车体进行简化，保留车体间关键连接件，并对车体和座椅装饰部分给予适当简化，形成简化车体模型。车体本身与车体底部大梁固定，车体与车体通过连接杆和连接叉及销轴连接，连接叉与前一辆车的底部大梁相连，连接杆和后一辆车的底部大梁相连，桥壳与底部大梁通过轴销类零件进行连接。轮架卡在桥壳的两端，桥壳上共有五个轮子，两个承重轮位于最上方，两个导向轮位于前后，一个辅助轮位于最下方。简化车体模型上设置有辅助动力学仿真的定位小球。定位小球在adams中建立后调整方位十分费时，可在solidworks等建模软件中直接建立并与轨道保持装配关系，之后再导入adams即可在adams中保留装配关系。

该简化车体模型中，采用质量输入的方法进行单车质量的定义，连接件及定位小球采用定义材料的方式来定义质量。本实施例中，单车重量为820kg，参照gb8048在座椅上方600mm处设置测量点。

轨道模型的建立在在adams中实现，需要左右两支轨道中心曲线上点的全局坐标。全局坐标的获取过程具体为：利用三次样条曲线插值，基于图纸所给的支撑管三维坐标得到支撑管中心曲线，以支撑管中心曲线上的点建立局部坐标系，根据轨道倾角、左右支轨道与支撑管的位置关系得到左右轨道中心曲线的局部坐标，经过坐标变换得到左右轨道的中心曲线的全局坐标。

如由图纸可得支撑管各点的全局坐标oi(xi,yi,zi)，在solidworks中利用样条曲线命令进行三次样条插值可得支撑管的中心曲线。以中心曲线上的点oi(xi,yi,zi)为原点，建立轨道截面局部坐标系，其中x轴正向为车辆前进的方向，y轴正向为乘客左侧，z轴正向为垂直于轨道平面向上，设左右两支轨道中心线对应点在局部坐标系中的坐标分别为pli(xl,yl,zl)和pri(xr,yr,zr)，经过坐标变换得到左右轨道的中心曲线的全局坐标，所建立的局部坐标系及轨道截面如图2所示。最终将左右轨道中心曲线上点的全局坐标保存入txt文本后，导入adams即可建立过山车仿真轨道。

步骤s2：在adams中通过约束来限制和定义各部件的位置和运动，从而模拟机械的实际运行状况，进行动力学仿真分析。

过山车动力学仿真所添加的约束如下：

①固定副：固定副能使作用部件在空间固定，左右两支轨道采用固定副，使其固定能够承受过山车的重量。

②转动副：转动副能实现铰接，它允许两个零件相对转动，限制两个旋转和三个方向的平移自由度，桥壳、连接叉、连接杆与大梁以及轮架和桥壳之间的相互作用都可用转动副来描述。

③点线约束(ptcv)：点线约束的原理类似于尖底凸轮机构，保证零件一直沿某一曲线运动，并保留旋转的自由度。定位小球与轨道仿真曲线间施加点线约束，以实现过山车沿轨道行驶。通过点线约束来模拟过山车轮子与轨道间的轮轨耦合。

通过辅助动力学仿真的定位小球与轨道仿真曲线间施加点线约束(ptcv)来模拟过山车轮子与轨道间的相互作用，以实现过山车沿轨道行驶。

步骤s3：在过山车动力学仿真模型中添加荷载，包括重力、摩擦力、风阻以及爬升段的牵引力等。

1、重力：每辆小车空载为820kg，可承载四人，每人重量按70kg计算则满载为1100kg，小车直接给定质量，其余连接件通过赋予材料属性定义质量，重力方向为-z。

2、摩擦力：摩擦力与正压力成正比且在行驶过程中一直发生变化，大小与正压力成正比，方向与行驶方向相反，通过施加随物体运动的单元力来实现，本实施例摩擦系数为0.03，分别施加在定位小球上，摩擦力具体表达式如下：

ff＝0.03*(abs(ptcv(.model_1_testify.ptcv_18,0,3,0))+abs(ptcv(.model_1_testify.ptcv_18,0,4,0)))(1)

式中ptcv(.model_1_testify.ptcv_18,0,3,0)为轮轨接触力的正压力，ptcv(.model_1_testify.ptcv_18,0,4,0)为轮轨接触力的侧压力。

3.风阻：风阻的施加参照公式(2)：

fwind＝0.5ρacdv²(2)

其中，fwind为风阻力，单位n；ρ为空气密度，单位kg/m³；a为迎风面积，单位m²；cd空气阻力系数；v为列车行驶速度与风速之差，单位m/s。

在自然条件下风可能来自任何一个方向，且在行驶过程中过山车迎风面积也在不断变化，因此只考虑最危险情况，即风向一直与过山车行驶方向相反，此时迎风面积最大，可通过施加随物体运动的单元力来实现，方向为与过山车行驶方向相反。

4、牵引力：过山车由站点出发，依靠重力滑行一小段后到提升段经由传动链电机驱动行驶到轨道最高点，在传动链牵引的过程中过山车速度恒定，速度过快会加重传动机构负荷产生安全隐患，速度过慢会导致运行周期变长，本实施例给定速度设为1.44m/s，这一过程可由adams中的函数阶跃函数step来实现。按照该过山车的实际牵引力模型，在轨道特定点设置传感器即可知道牵引力开始和结束的时间，牵引力设置如下：

drag＝step(time,31,-(1.440-vm(car.cm))*1e6,31.1,+step(time,31.1,(1.440-vm(car.cm))*1e6,76,0)(3)

上式中，vm(car.cm)表示车速，简写为v，在31秒之前生成的正负牵引力互相抵消，31秒至76秒牵引力为(1.440-vm(car.cm))*1e6，当v<1.44时，牵引力为正，为小车提供动力；当v>1.44时，牵引力为负，为小车降速；76秒后牵引力为0。通过上述表达式即可保证过山车在提升段以恒速1.44m/s提升。

步骤s4：计算不同轮组、不同风力和不同承载下的轮轨接触力。

过山车动力学仿真模型的具体求解设置按照国家标准gb8408-2008中规定，在测量加速度时间曲线需使用10hz低通高频滤波器，根据采样定理可知采样频率至少为20hz，即时间步长至少为0.05秒。过山车运行周期为120秒，取0.025秒时间步长，积分求解器选gstiff，进行求解，分别模拟风力为5m/s、10m/s、15m/s时以及过山车满载、半载、空载时的工况，最终得到过山车动力学仿真模型的速度、加速度以及受力分析结果，其中包括不同轮组、不同风力和不同承载下的轮轨接触力。

步骤s5：在ansysapdl中建立典型轨道单元段(轨道螺旋段)有限元仿真模型。

步骤s6：以经过后处理的adams轮轨接触力作为分析的受力来源，采用二维数组加载的方式实现过山车移动载荷的加载。在ansys中选取基于newmark的完全求解法模型进行求解瞬态动力学方程，从而进行瞬态动力学分析，最终得到轨道各结构的振动响应。

在有限元仿真模型中，以经过后处理的adams轮轨接触力做为分析的受力来源，采用二维数组加载的方式来实现过山车移动载荷的加载，从而进行瞬态动力学分析，得到轨道各结构的振动响应。

由于过山车轨道结构巨大且形状为空间曲线比较复杂，本实施例采用非结构四面体网格进行划分。移动载荷施加采用adams进行过山车全轨道动力学仿真得到轮轨接触力，利用amdas进行后处理，得到具体时刻、具体位置的轮轨接触力点组；根据轨道长度选取合适的所提取的载荷个数；创建二维时间-载荷加载数组，根据不同时刻轮组位置找到对应施加节点。

上述过程工作量很大，本实施例采用apdl语言进行批量化操作以快速完成。

本实施例中，轨道各结构的振动响应分析具体如下：

1、枕轨分析

选取多个枕轨上节点，节点编号为1到4，分布方向为从轨道管指向支撑管，节点1在枕轨与轨道管的连接处，节点4在枕轨与支撑管的连接处，枕轨节点z向振动位移和y向振动位移分布如图3和图4所示。

由图3和图4可知，枕轨上与轨道管连接处位移变形最大，最大y向位移可达5.56mm，与支撑管连接处位移变形最小，为1.25mm，振动位移分布沿分布方向(沿枕轨从轨道管指向支撑管)依次减小，且在整个运行过程由于不同轮组经过大位移正负变形交替出现，容易使枕轨与轨道管连接处产生疲劳，故在设计时应考虑枕轨的截面形状，使其满足强度要求的情况下易于轨道管焊接，焊接完毕后也应当对轨道段应力较大点出的焊缝进行检验，保证轨道质量。

2、立柱分析

选取立柱上多个节点，节点编号为1到4分布方向为从支撑管指向立柱底部，节点1在支撑管与立柱的连接处，节点4在立柱底部，立柱节点z向振动位移和y向振动位移分布如图5和图6所示。

由图5和图6可知振动位移分布沿立柱从上到下逐渐减小，立柱的位移变形很小故立柱的结构完全满足变形需求，可以考虑减小立柱截面以减少成本。

3、轨道管分析

轨道管上节点z向振动位移和y向振动位移分布如图7和图8所示。

由图7和图8可知轨道管最大z向位移为5.01mm，最大y向位移为5.92mm，较大变形会影响过山车行驶时的流畅度从而造成卡顿现象，故可考虑在螺旋段增大枕轨数目从而增加轨道段刚度减小变形。

4、支撑管分析

轨道管上节点z向振动位移和y向振动位移分布如图9和图10所示。

由图8和图9可知支撑管最大z向位移为2.78mm，最大y向位移为4.98mm，由于枕轨和立柱都与支撑管相连，支撑管结构刚度较大变形较小，可考虑适当减小支撑管截面积节。

实施例2

本实施例提供一种过山车设计方法，基于如实施例1所述的过山车轨道振动响应测试方法的测试结果进行过山车设计。

实施例3

本实施例提供一种过山车检测维修方法，基于如实施例1所述的过山车轨道振动响应测试方法的测试结果进行过山车检测维修。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由本发明所确定的保护范围内。